(上海威克鲍尔通信科技有限公司)
摘要:本文通过介绍一款高速连接器绝缘耐压测试设备的设计过程,根据高速连接器的结构特点,总结这类连接器绝缘耐压设备的设计思路和制造细节,为后续类似设备的设计提供参考。
主题词:绝缘耐压测试;高速连接器
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1 引言
高速连接器是大型通讯设备、超高性能服务器和巨型计算机、工业计算机、高端存储设备常用的一类连接器。目前高速连接器的传输速率已经由25Gb/s向56Gb/s发展,甚至112Gb/s,带来的问题是连接器的信号针间距越来越小,结构越来越复杂,各种精密冲裁和精密注塑工艺应用也越来越多。为了保证产品性能,需要对产品的电性能指标进行严格测试。本文以转接器为例,设计一款高速连接器的绝缘耐压测试设备,经过实际使用,满足测试的需求。
2高速背板连接器分析
典型的高速连接器结构如图1所示:
图1高速连接器结构
在高速连接器系统中,单端信号被差分信号取代,差分信号在一对称为“差分对”的传导路径上传送。传导路径之间的电压差表示信号。这样,差分内的信号针会被设计成在间距越近越好。为了屏蔽其他差分对的干扰,屏蔽位于用于差分对和差分对之间。这样,差分信号针之间、差分信号针和屏蔽之间的绝缘耐压就显得尤为重要。
现有高速连接器产品转接器需要进行绝缘耐压测试,转接器产品如下图2所示:
图2 转接器结构图
3对接测试系统的实现
3.1对接测试系统的实现
由图2可以看出,该转接器信号和屏蔽壳接触点在连接器侧面,无法用探针进行点对点接触测试。所以必须有专用的对接端来对接测试。
高速连接器都是公母配对进行设计制造的,通常母端连接器会因为包容结构比较复杂,公端连接器以插入互配为主。这样对于很复杂的母端连接器部分,采用公端连接器作为对接端。
所以高速连接器测试一般选用相应的对接端来对接,再从对接端连接器的另一端上配置测试线路,组成对应的对接测试系统。
转接器对接端如下图3所示(简称插座):
插座端背部是对接端,正面信号端有432个信号和屏蔽鱼眼,鱼眼尺寸为1.27mmX0.4mmX0.12mm,信号鱼眼间距1.27mm,屏蔽鱼眼间距0.95mm,用探针对接时,这么多鱼眼和探针同时接触,很难保证同时接触到位。考虑到插座连接器的鱼眼是压在高速背板上传输信号的,因此使用印制电路板来转接线路。
所以设计一块测试电路板,将插座鱼眼端压入电路板中,整体作为测试夹具。
3.2绝缘耐压分组分析
在高速连接器绝缘耐压测试中,信号对数量多,当所有信号并在一起和屏蔽测试时候,很容易出现设备绝缘电阻值低于检测标准情况。所以不能全部并在一起测试,需要计算并在一起测试的信号针数量,既保证测试通过,又不因分组太多导致测试效率低下。
转接器的塑料材料为LCP E130I,LCP是一种高级液晶塑料材料,查材料的物性表可得该材料体积电阻率为。 根据体积电阻率计算公式:
ρ为体积电阻率,L为两个信号针最近距离,S为信号针相对的接触面积。
假设信号针之间的LCP塑料均匀一致无空隙,插座L=0.29mm,S=3.25mm*0.18mm
经过计算,可得理论上插座信号针之间的绝缘电阻 R1== GΩ,信号和屏蔽之间绝缘电阻约为R2= GΩ。
转接器产品的材料同样为LCP E130I,转接器的信号针L=0.38mm,S=85.5mm*0.18mm,代入体积电阻率公式,这样算下来插座的理论绝缘电阻约是转接器的20倍。
实际电阻和理论电阻的有一个比值k,根据以往经验k取0.05。对于并联电阻,有1/R总=1/R1+1/R2+……+1/Rn,即总电阻的倒数等于各分电阻的倒数之和。并联电阻计算
由公式不难看出,R总小于任何一个并联的电阻,对于N个相等的电阻并联,公式就简化为Req=R/n。
插座和转接器有72组信号差分对,当测试设备和转接器全部对接在一起测试时,取最差工况,所有信号针对所有屏蔽测试。此时绝缘电阻R3=kR2/72/20=8.65GΩ。满足绝缘大于1GΩ的要求。
为了给测试留有充分余量,同时考虑产品结构,建议将信号针按2组分组。这样最差工况的绝缘电阻为17.3 GΩ。
测试设备最差工况的绝缘电阻为17.3*20=346 GΩ。给测试设备留足余量。
这样,将信号针分为2个组先后进行测试,设计电路板时,考虑插座结构和对接端子,建议按4组设计。
3.3 环境温湿度处理
在转接器实际生产测试中,温度一般在20度到40度之间,实际测试发现温度对绝缘电阻影响不是很大;而湿度是绝缘电阻实际测试的关键因素,潮湿环境引起水蒸气在绝缘体表面的吸收和扩散,很容易使绝缘电阻降低到MΩ级以下。在华南地区,空气湿度低的时候在50%左右,到雨季空气湿度会到100%。在这种条件下,根据实际测试一组差分信号针之间的绝缘电阻,湿度正常的时候绝缘电阻大于99GΩ,湿度在90%的时候只有几十兆欧。
所以绝缘耐压测试要规定测试环境温度和湿度。根据GJB1217-91“连接器试验方法”规定。试验的标准温湿度条件为:温度15℃~35℃,湿度20%~80%。仲裁试验的标准大气条件,温度25±1℃,湿度50±2%。
实际测试即取仲裁实验的标准温度25±1℃,湿度50±2%。
测试夹具由电路板和插座压接而成,电路板在会吸潮,这样会大幅降低绝缘性能,导致测试设备绝缘性能不过。这就需要对测试夹具进行防潮处理。常见的电路板防潮措施有:灌封环氧树脂和喷涂三防漆。
1、环氧树脂灌封:环氧树脂灌封胶可以将整个对接插座包裹其中,从而起到防水、防潮、防盐雾、防霉菌、抗震、抗外力冲击等,环氧树脂灌封胶具有本体强度高、粘接力强、耐候性好、收缩率低、绝缘强度高、无毒环保等特性,灌封后能在-45-120℃间稳定的机械和电气性能。缺点是无法散热,没有维修性。
2、涂三防漆:三防漆是一种特殊配方的涂料,固化后形成一层透明保护膜,具有优越的绝缘、防潮、防漏电、防震、耐电晕的功能。
根据实际线路板结构,对接夹具防潮处理方法是:
1)将压好的插座电路板合件在80度的隧道炉内烘20分钟;
2)待绝缘耐压测试通过后对连接器和电路板连接部分灌封环氧树脂;
3)当环氧树脂干后,再在电路板的其他部分喷涂三防漆。
这样就将整个测试夹具尽可能封闭起来。尽最大限度减少湿度对测试夹具绝缘电阻的影响。
3.4 耐压仪的选用
根据实际绝缘耐压分组测试,一般情况下使用的单路测试仪不能一次完成测试,就需要增加继电器切换线路。一般来说,测试系统的设计需要尽可能的最小化测试系统,减少影响因素。所以选用多路绝缘耐压测试仪,利用仪器内部的继电器来切换,减少控制系统编程,简化设备设计。
3.5 实际设备测试情况
转接器绝缘耐压设备由测试设备,电控盒和绝缘耐压仪三部分构成。如下图4所示
图4 转接器绝缘耐压设备
设备在实际测试时绝缘电阻如下:
项目 | 信号对信号绝缘电阻GΩ | 信号对屏蔽绝缘电阻GΩ |
所有信号并1组空打测试 | >10 | >10 |
所有信号并1组产品测试 | 2.4 | 1.1 |
所有信号分成2组空打测试 | >10 | >10 |
所有信号分成2组带产品测试 | 7.2 | 3.5 |
由测试结果可以看出,实际绝缘电阻和设计线性相符,可以通过理论绝缘电阻的计算来估算并连数量,为设计分组提供一定基础。
4结论
本文通过对高速连接器的结构的分析,通过计算理论绝缘电阻来估算并联数量,同时给出一种控制夹具湿度的解决方案,经测试满足实际需求,为后续此类连接器绝缘耐压设备的开发提供参考。
参考文献
[1]连接器技术教程, 赵仕彬等,贵州航天电器股份有限公司
[2]高速背板连接器的设计与应用, 徐斌,南京邮电大学
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